1. 소개

메인주 교량 재정지원 계획의 일환으로 메인주 교통부는 메인주립대학교의 AEWC “구조물 선진화 및 복합재료 센터”와 메인주 복합산업체와 함께 교량건설 및 유지관리 활동에 복합기술을 포함하도록 제휴해왔다. 제휴목적은 연구사업을 통하여 얻어진 지식을 축적할 수 있기 때문에 교량건설, 교량구성부품, 소형연락선 및 많은 교통수단 응용제품에 대한 복합기술을 활용하고자 하는 것이다. 이 제휴단체는 교통사업에 필요한 사항들에 부응하고 메인주의 복합산업을 지원하는 역할을 하도록 FRP(섬유보강폴리머) 복합기술의 응용을 가속화하고 그 응용대상을 집중적으로 찾고 있다.

 

복합재료는 어떤 여건 속에서 선택권을 제공할 수 있는 건설기술이다. 이 보고서는 기존의 골철판을 사용한 암거의 인버트를 교체하기 위하여 복합재료가 사용된 암거 시범사업에 관한 것이다. 이 사업은 물고기 사다리와 둑이 설계에 반영된 유일한 사업이었다.

 

2. 문제점 설명

골철판(CMP) 암거는 보통 개울을 건너갈 때 사용되는 수단으로 사용된다. 시간이 흐르면서 결국 암거는 부식되고 약해진다. 암거 인버트는 마찰과 부식으로 완전히 침식되는 경우가 자주 있다. 골철판 인버트의 교체작업은 많은 비용이 소요되며, 특히 아주 깊이 매립되어 있는 경우에는 더욱 그렇다. 현재 철근콘크리트 라이너와 같은 재료로 복구하는 경우에는 암거의 수명을 연장시킬 수 있으며, 개울이 흐르는 상태이어서 상당한 작업기간이 필요하다. 이 사업의 목적은 사업비와 환경영향관점에서 기존의 보수기술을 개량하여 복합 암거 보수방법을 개발하는 것 이었다.

 

3. 관련사업 정보

 

2009년에 직경 8‘ x 길이 130' 규격의 이중관 암거교량이 FRP 복합판넬을 사용하여 보수되었다. 현장은 9번가 암허스트(Amherst) 도시노선에서 약 3마일 떨어진 곳에 위치했다. 서쪽방향의 암거관은 West Branch Brook 의 본류를 취급하는 반면에 동쪽방향의 관은 오버플로우를 취급하도록 되어 있다. 메인주 교통부 사업식별번호(PIN)는 15642이다. 현장작업인원 투입과 철수를 포함한 현장 작업기간은 2009년 8월 31일부터 2009년 10월 2일까지 이었다. 전체적인 사업은 단계별로 준공되었다. 1단계에는 초기설계, 실험실에서의 시험, 시제품 생산, 시방서 작성 등이 포함되었다. 관련정보가 도출되자 1단계는 시범현장에 FRP 라이너 판넬과 둑 생산 및 설치에 대한 도급계약자 상세 입찰서류 제출이 필요했다. 2단계 사업은 사업현장에서 건설 및 설치작업 이었다.

 

 

 

4. 1단계 - 설계, 분석 및 시험

 

초기 설계 자료는 캔웨이사와 메인주립대학 간의 공동작업에 의해 개발되었다. 이보고서는 캔웨이사가 제공한 소식과 아래 각주 명기한 정보로부터 발췌되었다.

 

AEWC와 캔웨이는 FRP 판넬과 특히 암허스트 현장의 여건에 맞도록 연결방법이 설계되었다. 1단계 사업에서 얻어진 교훈은 2단계 사업에 장재적인 FRP 시스템 개발에 포함되고 식별되어졌다. 이러한 개선점들은 하이브리드 시스템의 성능, 생산 및 시공성에 영향을 주었다. AEWC는 조립 및 설치에 대한 설계도와 성능시방서를 작성하였다. 초기 분석 및 시험으로 설계 권고사항이 도출되었다. 기존구조, 설계하중, 환경문제, 시공성 개선, 내구성, 경량화와 같은 요인들과 개선된 성능이 고려되어졌다. 재로와 복합시험에 사용될 섬유보강 건축 및 레신 선택, 구조적 연결시스템 설계 및 대안을 포함하여 하나의 판넬 설계가 추천되어졌다. 강도, 견고성 및 내구성 예측은 여러 개의 실제규격의 시험판넬의 생산과 시험을 통하여 입증되었다. 이것으로 실제규격의 제품에 대한 개발시방서에 대한 성능이 확인되었다.

 

AEWC는 기본소재 강철판 암거와 하이브리드 시스템의 성능을 입증하기 위하여 직경 6피트 실제 규격의 암거를 가지고 전반적인 시험을 수행했다. 모델규격은 FRP판넬로 대체되는 하반부를 포함하여 약 8피트 길이였다. 시험편은 실제여건과 같은 흙으로 덮혀졌고 서보유압식 장비를 사용하여 설계하중과 동등한 조건으로 시험되었다.

 

메인주 교통부로부터 1단계 결과가 만족할만한 수준으로 준공되고 받아들여지자 마자 캔웨이 회사는 2단계 사업으로 규정된 FRP 보수공법의 생산 및 설치에 관한 견적서를 작성하여 제공했다.

5. 2단계 - FRP 설치, 암거 라이닝 재시공 및 둑 시공

 

라이너 판넬

캔웨이 사는 라이너 판넬을 생산했고, FRP 하이브리드 라이너 시스템인 이중관시스템을 두개의 암거에 설치했다. FRP 판낼은 마찰과 부식에 견딜 수 있는 경제적인 해결책으로서 선택된 섬유보강 및 비닐에스터 레진으로 만들어졌다. 판넬의 공칭 두께는 1/4인치이다. 판넬은 철제 와셔와 함께 화약으로 작동되는 특수한 고정재료를 사용하여 제 위치에 설치된다. FRP 판넬과 암거사이의 간격은 포틀랜드 시멘트를 주원료로 하는 그라우트 혼합재로 채워졌다.

 

내부 사각둑과 저수조

이 사업은 사각둑과 저수조를 통해 물고기 이동통로로 활용된다. 전반적인 시스템은 FRP, 철근 및 콘크리트를 혼합하여 설계되었다. 저수조의 콘크리트는 A급 콘크리트였다. 덧붙여 9개의 내부 FRP 사각둑은 서쪽의 암거에 설치되었다. 각각의 사각둑은 사각둑 높이를 조절할 수 있도록 되어 있다. 홈이 없이 설치된 고정 둑은 동쪽 암거의 상류 인버트에 설치되었다. 7개의 원형 저수조로 구성된 외부의 FRP 둑 시스템은 FRP 배출구로 연결되었다. 각 배출구는 조정이 가능한 홈이 파여져 있다. 각각의 저수조는 물고기 이동에 필요한 에너지 손실을 고려하여 최소 3피트의 깊이를 가졌다. 외부 둑은 지정된 물과 배출구 높이로 설치되어졌다.

 

동쪽 암거에 상부 손실부분 보수

두 개의 FRP 판넬과 그라우트재료가 동쪽 암거의 내부 보수개소를 덮는데 사용되었다. 판넬 부착과 그라우팅은 인버트 보수와 같은 방법으로 시행되었다.

메인주 교통부의 지원작업

메인주 교통부는 다음과 같은 부대공사를 위해 인력, 장비, 자재를 제공했다.

 외부 둑 시스템의 설치에 필요한 굴착

 외부 둑 시스템에 소요되는 콘크리트, 석재 및 되메우기 작업 지원

 모든 식물 및 수목의 제거 및 적절한 처리

 접근이 가능토록 가드레일의 제거 및 재설치

 “환경관리우수사례”를 유지하는데 필요한 모든 환경관리 시설물의 설치

 개울의 물 흐름을 바꾸는데 필요한 임시 댐 설치

 개울의 물 흐름을 변경하고 암거작업에 물이 없도록 유지하는데 필요한 모든 장비와 배관작업의 시행

 약 182 야드의 대형 사석지반관련 구매 및 시공

 공사범위 내 작업에 필요한 교통 통제

 작업현장의 복구에 필요한 식물 및 수목 복구

 

6. 상세 도면

 

 

 

 

  

7. 사업 분석

 

전반적인 사업이 신속히 추진되었다. 아래 언급한 것과 같은 특기 할 만한 문제점들을 통해 많은 교훈을 얻었다.

 

판넬

고속도로에서 암거 끝까지 판넬을 운송하는데 지게차가 사용되었다. 암거 내부에서 이 판넬 들을 수작업으로 설치하는 것은 약간 불편했다. 이 문제점은 제위치에 판넬을 굴릴 수 있도록 한 바뀌달린 짐수레를 사용함으로서 해결되었다. 초기에 어려움이 있었으나 첫 번째 날에는 단지 3개의 판넬이 설치되었으나 일일 설치량은 5개 판넬까지 설치할 수 있게 되었다. 판넬 들은 현장에 많은 양을 쌓아놓지 않고 공장에서 전달되면 즉시 설치되었다. 공장에서의 판넬 생산은 설치에 어려움이 있을 수 있고, 판넬 최종 작업 마무리의 불확실성으로 최적의 상태는 아니었다. 중대한 문제점은 없었으나 이 사업을 함으로서 얻어진 자신감은 향후 사업에 더 빠른 설치작업이 가능하도록 할 것이다.

 

그라우트 및 그라우트 시공

처음 그라우트를 퍼 올리는 작업은 하청업체가 공급한 로터스테이터 펌프가 그라우트 혼합재료를 퍼 올리지 못했기 때문에 실패했다. 두 번재 하청업체는 작업이 가능한 피스톤펌프를 공급했다. 그라우트 공급업자가 시방서에서 규정한 골재규격에 못 미치는 재료를 공급하였기 때문에 또 다른 문제가 발생되었다. 골재는 펌프와 배관 모두에서 문제를 일으켰다. 그라우트 공급배관은 관 길이를 감소시켜 바닥에 깔리어졌다. 계약자는 펌프에 너무 큰 골재를 걸러내기 위하여 유공철판을 사용하는 임시변통으로 대처하였다. 향후에는 그라우트 공급 시 일정한 규격의 골재가 사용되어야만 한다.

 

콘크리트 & 콘크리트 타설

저수조 거푸집에 콘크리트를 타설하기 위해 메인주 교통부가 공급한 펌프는 기능을 발휘하지 못했다. 배관이 계속해서 막혔다. 콘크리트 버켓이 얻어질 때 까지 굴착기 버켓으로 콘크리트를 타설하였다. 굴착기로 콘크리트를 타설하는 경우 골재분리 문제가 발생할 수 있으나 이 임시조치는 만족스럽게 작업이 되었다.

 

현장 침수

폭우가 내려 하천의 수위가 크게 상승했다. 저수조의 물을 배수하기 위하여 4인치 펌프로는 감당이 되지 못했다. 사실상 저수조 한곳에서 6인치 펌프 두 대를 가지고도 폭우을 감당하는데 어려움이 있었다. 폭우로 발생한 물은 실제보다 너무 적게 잡았다. 또한 현장도 밤새 펌프가 작동되지 않았기 때문에 침수되었다.

 

환경문제 고려

FRP 판넬을 사용하는 장점 중 하나는 인버트의 레벨을 조금만 증가시킬 수 있다는 것이다. 최종 인버트 높이는 기존 암거높이에 몇 인치 정도에 불과하다. 만약 물고기 이동을 고려하여 인버트 높이 증가가 최소화되어야 한다면 이 FRP 보수 공법이 고려될 수 있다. 물고기 이동통로의 우려가 어떤 곳에서는 향후 이 공법으로 대체되도록 영향을 줄 수도 있다. 이러한 고려사항은 자연적으로 형성된 개울물 수면 높이 이상으로 암거를 높이는 경우를 제한하도록 할 수도 있다.

 

서비스 수명

콘크리트 암거보수공사 개소의 정확한 수명은 여러 가지 요인들에 따라 다르다. 콘크리트 암거보수공사의 수명이 몇 십년이 될 수도 있다고 생각한다. 복합재료 업체는 복합재료의 수명이 콘크리트 수명을 초과할 것이라고 예상한다. 이 공법에 관한 자료가 제한적이기 때문에 이번에 결론을 내릴 수는 없다. 이와 같은 사업들은 향후 평가에 적용할 수 있는 성능자료를 도출할 것이다. FRP 내부 보강판 공사는 콘크리트를 사용하는 것 보다 폭우가 내리는 동안에도 쓸려 내려갈 가능성이 적기 때문에 상대적으로 더 빠르게 추진가능하다. 이런 요인들은 이와 같은 방법을 사용할 경우에 해당 개소의 여건에 따라 평가되지 않으면 안 된다.

 

사업비

이 사업은 시범사업이었기 때문에 일반적인 암거보수공사와는 다르게 비교되어야 한다. 이와 같은 공법에 의한 향후 사업비는 이런 공사를 통해 얻어진 경험과 생산량이 증가되는 경우 줄어들 것이다.

 

이 사업의 총 사업비는 325천불이었다. 사업비는 초기 연구 및 부수작업을 제외하고는 약 276천불이었다. 두 곳의 암거에 소요된 보수공사 비용만은 둑 공사비를 제외하고 약 157천불, 외부 수조와 추가 관리비 등을 제외하고 암거 1피트 당 약 600불 이었다. 이 사업비는 인버트 높이의 제한과 함께 물고기 이동통로를 제공하는 환경문제를 다루었기 때문에 긍정적인 평가를 받고 있다.

 

9. 시공 사진

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

10. 결론

 

첫 번째 겨울이 지나고 봄에 비가 온 후에 사업현장을 둘러본 결과 아주 우수한 상태인 것을 확인하였다. 이들 암거는 2년 마다 메인주 교통부 교량 유지관리조직에 의해 점검되고 있다. 라이너 및 둑 시스템의 시행은 문제점이나 또는 언급한 우려사항들에 대해 평가가 되어질 것이다. 이 보고서는 암거보수작업에 대한 FRP의 타당성을 입증했다. 사업비 분석결과 위치, 환경적 요인 및 암거의 상태에 따라 달라질 것이나 FRP 보수공사는 기존의 암거보수공법과 비교하여 경쟁력이 있다.

 

작성자 : Bill Thompson(교통연구소), 검토자 : Dale Peabody(교통연구소)

 

▣ 원문제목 : Culvert Rehabilitation & Invert Lining using FRP Composites

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 소개

2. 문제점 설명

3. 관련사업 정보

4. 1단계 - 설계, 분석 및 시험

5. 2단계 - FRP 설치, 암거 라이닝 재시공 및 둑 건설

6. 상세도

7. 사업 분석

8. 사업비

9. 시공사진

10. 결론